面向缪子成像的计算神经动力学算法

基于缪子成像中需考虑被测物体密度的双端约束以及噪声对探测数据的影响,提出一种面向缪子成像的计算神经动力学算法,可保证结果处于约束范围内.理论分析结果表明,在无噪声或恒定噪声的情况下,该算法全局收敛于缪子成像的理论解,并能有效抑制随机噪声.仿真结果表明,该算法在求解缪子成像问题时具有有效性和优越性.

宇宙射线缪子成像技术在中国的研究进展

宇宙射线缪子成像是一种新型的绿色核成像技术,近年来发展迅速。该技术利用天然的缪子射线对物体实现无损、高精度的三维成像。国内多所高校和研究机构已开展了一些缪子成像技术的相关研究,包括系统研发、场景应用和少量的成像算法研究。针对两种不同原理的缪子成像在国内的研究进行了综述,通过一些典型案例的介绍,展现该技术在经济、文化和社会方面的巨大价值和潜力。我国幅员辽阔、工业体系完善,缪子成像技术在多个领域具有广泛的应用需求。随着相关研究的深入推进,该技术在未来将取得持续发展并得到广泛应用,在文物保护与挖掘、矿藏勘探、基础设施结构监测、泥石流自然灾害预警等产业端发挥重要作用。

大面积MRPC宇宙线缪子成像原型装置的研制

大面积位置灵敏探测器阵列是宇宙线缪子散射成像系统的关键部分。研发了适用于研制的73.6 cm×73.6 cm大面积二维读出位置灵敏MRPC探测器上的双精细复用读出电子学,构建了一个包括上下2组、每组各3块大面积MRPC的宇宙线缪子散射成像原型实验装置。该装置通过上下两块塑料闪烁体进行触发,实验数据经过处理后能重建缪子径迹,采用PoCA图像重建算法,获得了散射成像实验图像,结果与蒙特卡罗理论模拟结果相一致,为进一步研究宇宙线缪子成像物理机制、成像算法等提供了良好的实验平台。

反应堆宇宙线缪子成像蒙特卡罗模拟研究

宇宙线缪子成像可对第二代反应堆压水堆(PWR)堆芯进行成像,即使在严重核事故下,常规方法无法监测时,仍可探知堆芯状态,了解堆芯情况。论文基于PWR主要结构参数建立详细的模拟模型,通过Geant4程序进行模拟,对反应堆堆芯进行图像重建,并对图像进行降噪处理。研究结果表明,宇宙线缪子可对堆芯高Z材料成像,核燃料轮廓清晰可见,利用大角度宇宙线缪子对PWR堆芯进行成像、对堆芯状态进行监控的方法可行。若要实现这种方法,使用多个8 m×8 m的大面积位置灵敏探测器,在3个月内可以实现。

在缪子成像中利用模式识别检测毒品与爆炸物（英文）

在集装箱安检中一个很重要的亟待解决的问题是如何有效地检测出藏在金属中的毒品和爆炸物。传统的X射线CT难以穿透较厚的金属材料,而中子CT引入了很大的放射性,其屏蔽问题是一个难点。相较之下,宇宙线缪子成像是一种有前景的非破坏性成像技术,因为缪子来源于天然的宇宙射线且有足够的能量完全穿透大型集装箱。本文研究了在可接受的测量时间内,宇宙线缪子成像方法能够在何种程度上识别毒品爆炸物与空气和金属。基于清华大学缪子实验平台TUMUTY并通过Geant4模拟宇宙线缪子与物质的相互作用,毒品爆炸物及不同金属材料的散射密度能够被重建出来。基于模式识别的SVM分类器被训练出来对这些材料进行自动识别分类。结果显示,对于边长为20cm的不同材料的物块,在10到30 min的测量时间内,能够通过缪子成像方法识别毒品爆炸物与金属材料和本底,分类的错误率约为1%;测量时间为1min时,分类的错误率恶化为12.9%。

新型大面积宇宙射线缪子成像检测装置研制

研制了一套基于漂移管探测器的大面积宇宙射线缪子成像检测装置.该装置由6层交叉排列的漂移管探测器阵列构成.探测阵列面积2.2 mx2.2 m,探测位置精度好于0.9 mm,采用自触发符合技术使探测效率达到90%以上.对Al、Fe、W三种不同物质进行了成像实验和散射角计算,能够有效区分检测物.又对屏蔽盒内的铁块及钨块进行了成像,结果表明能够对屏蔽下的高原子序数物质进行区分.对钨字符块进行了8 h成像实验,得到了较为清晰的图像,能够分辨字符块形状.

缪子成像系统中二维位置分辨探测器研制

介绍了一种应用于缪子成像系统的新型二维高位置分辨探测器,MRPC探测器的有效面积为1 072 mm×1 072 mm,先后对探测器在宇宙线和X射线下测试其性能,结果表明探测效率高于98%,位置分辨好于272μm。

基于机器学习算法的四角读出型塑料闪烁体探测器缪子定位与散射成像的模拟研究

宇宙线缪子是存在于自然界中一种穿透力极强的天然射线。目前主流的缪子探测器包括气体探测器和塑料闪烁体条探测器,虽然它们具有高精度,但成本较高且结构复杂。本研究基于四角读出的塑料闪烁体探测器,利用长短时记忆网络(LSTM)算法和密度聚类的DBSCAN算法的定位。使用Geant4仿真软件构建大面积(800 mm×800 mm)的四角读出塑料闪烁体缪子成像系统,对模拟数据实现缪子位置重建与成像结果。首先,采用LSTM算法作为探测器上的缪子定位方法,通过与实验中已获得的400 mm×400 mm探测器重建入射位置图像的结果比较以验证本研究模拟方法的可靠性,结果表明,模拟得到的位置分辨可达到厘米级。其次,利用DBSCAN算法对钨块构建的“U”“S”“C”三种形状模型的PoCA散射成像结果进行聚类优化,实现对钨块成像点与噪点的区分,使得成像结果更有区分度,为缪子探测器系统的构建提供新的思路与方向。

基于智能计算与通量衰减的缪子三维成像算法

针对大规模缪子成像场景,设计一种新型的反演模型,将基于通量衰减的缪子成像技术与智能计算中限制内存的拟牛顿法相结合,避开了矩阵求伪逆和海森矩阵存储的操作,降低了计算复杂度和内存占用.在已知被测物体密度区间时,合理的上、下限约束和参考模型可提高结果的准确性.针对具有上、下限约束的反演问题,设计一种内点罚函数,将约束优化问题转换为无约束优化问题.结果表明,设计的反演模型在大规模反演问题中效果良好,内点罚函数能起到很好的约束作用.

宇宙射线缪子成像技术在大遗址勘察中的可行性研究

大遗址是我国文化遗产的重要组成部分,然而常规的物探手段存在一些勘察困难。宇宙射线缪子成像技术作为一种新型的物探手段在对大尺度目标物勘察方面具有独特优势。本研究就宇宙射线缪子成像技术中的成像源、成像理论、正演与反演算法和可行性分析流程等方面进行较为详细的介绍,并通过三维正、反演算法,开展了以莫高窟中假设隐藏暗室为勘察目标的缪子技术可行性研究。结果表明,缪子成像技术能够重构出16窟、A窟侧面0.5 m×0.5 m×0.5 m的洞窟和A窟背面1.0 m×1.0 m×1.0 m的洞窟;探测器相对于目标洞窟的位置会影响成像结果,将探测器放置于目标洞窟的异侧时,成像效果比放置于同侧更好。本研究为宇宙射线缪子成像技术在大遗址特别是石窟与土遗址科技考古应用方面奠定了较好的研究基础。

基于缪子离散能量的材料鉴别实验研究

宇宙射线缪子具有穿透力强、对重核材料敏感的特点,近年来被广泛应用于核材料检查等领域.缪子与不同原子序数材料发生的多重库仑散射效果不同,利用这点可以对被测物体进行成像以及材料鉴别,而在该过程中引入缪子的能量信息可以提高材料鉴别的准确度.本文基于原子能院研制的缪子成像装置开展了5种样品的材料鉴别实验,使用离散能量拟合近似连续能量的缪子散射角分布,进而测量出各材料的辐射长度并以此作为特征量进行材料鉴别.实验结果表明,在约1400个有效缪子事例下,Al-Fe和Fe-Pb可以在95%的置信水平下有效区分,该方法相比于不引入缪子能量信息对Pb-W鉴别的准确率提高了18.5%.

缪子成像及元素成分分析

缪子为轻子的一种,主要来源于宇宙射线和加速器。宇宙射线缪子能量高、穿透性强,是一种天然的非破坏性基本粒子“探针”,可以对物体进行成像和无损检测。加速器缪子强度高、能量可调,可以对物体快速成像。加速器产生的负缪粒子进入材料会形成缪子原子,级联跃迁产生的X射线可以对材料进行元素分析。文章介绍了宇宙射线缪子成像、加速器缪子成像和缪子原子X射线元素分析三种技术的基本原理、成像手段或分析方法,以及其主要应用、发展现状与趋势,特别介绍了中国散裂中子源在加速器缪子成像和缪子原子X射线应用研究的规划。

缪子对小尺寸中低原子序数物质三维成像技术的模拟研究

缪子成像是一种利用天然本底辐射中极具穿透力的缪子射线通过散射或透射技术对高原子序数Z或隐藏物体进行无损成像的技术。当前的研究对象是大尺寸的高Z物质,而针对小尺寸的中低Z物质的成像技术在国内鲜见报道。本文提出了一种针对小尺寸中低Z物质的三维成像技术,利用Geant4软件模拟了缪致次级粒子的产生过程,模拟结果表明次级粒子主要为电子和γ光子,通过缪致次级粒子与入射缪子符合探测技术筛选入射缪子径迹,利用有限角度成像算法对待测物体进行了三维图像重建,结果表明,该技术适合于小尺寸的中低Z物质成像,尤其对小尺寸中Z物质的重建效果明显,重建图像可区分0.8 cm的凹槽。

宇宙线缪子散射成像模拟与算法研究

本文验证了基于Micromegas探测器的宇宙线缪子散射成像系统进行快速核材料检测的可行性,并对实验室宇宙线缪子成像系统原型进行参数估算.基于Geant4程序开发了用于模拟宇宙线缪子物理过程、传输径迹及Micromegas探测器响应的模拟程序.在模拟数据的基础上,实现并改进了两种主要的宇宙线缪子散射成像算法.根据模拟和成像结果,1m×1m成像系统可在10min内检测到被重元素屏蔽的核材料.10cm×10cm成像系统的缪子事例触发率为0.16s^-1,要获得较为清晰的成像结果,要求探测器位置分辨率达到300μm,探测器增益为1000时实际测量事例至少需要20h.

秦始皇陵地宫宇宙射线缪子吸收成像模拟研究

宇宙射线缪子吸收成像技术是一种无损成像技术,适用于对大尺度的成像目标进行无损探测.考古学中现有的无损探测方法均存在一定的局限性,若将缪子吸收成像技术应用于考古领域,可以作为对传统无损探测方法的重要补充.本文使用蒙特卡罗GEANT4程序,对秦始皇陵地宫缪子吸收成像进行研究,基于已有的秦始皇陵考古数据构建秦始皇陵地宫模型,根据Reyna提出的海平面缪子能谱公式抽样产生缪子源的信息,模拟了宇宙射线缪子在秦始皇陵地宫中的输运过程,并利用图像重建算法实现墓室大小和位置的重构.模拟结果表明,利用单视角获得的缪子通量投影数据可以给出地宫中墓室边界的二维角坐标,利用两个视角的投影数据可以重建墓室大小和三维位置,重建得到的墓室边长和墓室中心位置相对于理论值的差异在7%左右.

基于散射和次级诱发中子的缪子多模态成像

现有以散射为主的宇宙线缪子成像难以从高原子序数材料中有效区分特殊核材料,利用缪子在特殊核材料中产生的次级诱发中子标记入射缪子,可从高原子序数材料中辨别特殊核材料,但其成像时间长且成像质量较低.缪子多模态成像利用缪子穿透材料的散射信息以及被材料阻止时产生次级诱发中子的缪子信息,可有效解决单一成像方法的不足.基于GEANT4程序设置探测模型,以Cosmic-ray Shower Library为缪子源,开发了与诱发中子符合的缪子成像、缪子散射成像、缪子多模态成像模拟程序,并在模拟数据的基础上分别实现了成像算法,得到了不同模型的成像结果.模拟结果表明,基于散射和次级诱发中子的缪子多模态成像不仅成像快、质量高,而且能明显区分特殊核材料与其他高原子序数材料,具有探测特殊核材料的独特优势.

深空探测用塑料闪烁体阵列式缪子探测器电子学采集系统设计

宇宙线缪子成像方法是一种对物质密度敏感的高分辨率、高精度被动源探测技术,无须原位测量,有望成为火星和小行星浅表和内部物质结构成分研究的新兴深空探测手段。鉴于气体探测器、核乳胶探测器使用条件的局限性,设计一种适用于深空探测的多通道读出的塑料闪烁体阵列式缪子探测器,可实现对多路探测器缪子信号的采集。搭建探测器测试系统,在实验室条件下进行天然缪子探测实验,对探测到的缪子数据进行天顶角和方位角分析,结果显示缪子径迹随角度分布与理论预期符合很好,初步验证了探测器系统设计的合理性。

缪子探测及其多学科应用

介绍了缪子的基本物理性质及产生过程,同时,依据缪子来源将缪子源分为加速器缪子源和宇宙线缪子源,阐述了缪子与物质相互作用及其探测技术,尤其关注了缪子成像技术的进展,展示了缪子成像技术在建筑学、地质学、地球物理和核安全等领域的多学科应用.

多气隙阻性板室探测器位置分辨性能的模拟研究

多气隙阻性板室(M RPC)具有效率高、时间分辨优异、性价比高以及便于大面积制造的优点,成为缪子成像技术径迹探测器的良好选择.提高MRPC的位置分辨能力,是近年来的研究重点.本文使用ANSYS Maxwell计算了MRPC的三维静电权场,在此基础上研究了在相同MRPC结构下,读出板背面接地、读出条间距以及宽度占比对MRPC位置分辨能力的影响,同时给出了改善MRPC位置分辨性能的设计建议是读出条间距1 mm、宽度占比50%-60%.